IP路由器系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、IP路由器(Internet Protocol Router)是Internet的核心設(shè)備。隨著Internet的飛速發(fā)展，IP路由器在性能和擴(kuò)展性等方面面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其相關(guān)研究也受到了廣泛的關(guān)注。另一方面，當(dāng)前超大規(guī)模集成電路技術(shù)快速發(fā)展，基于系統(tǒng)芯片(SoC，Systemon Chip)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度和系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗等，為電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了新的思路。IP路由器SoC就是采用系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)I

2、P路由器核心功能的單芯片集成，將系統(tǒng)芯片技術(shù)和IP路由器技術(shù)相結(jié)合，從而有效解決IP路由器的性能、功耗及擴(kuò)展性等問題。
　　本文針對(duì)IP路由器SoC的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的分析，對(duì)IP路由器SoC所涉及的IP路由器SoC體系結(jié)構(gòu)、IP路由器SoC片內(nèi)通信、高性能IP地址查找以及IP路由器SoC的功能驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了一些解決IP路由器SoC關(guān)鍵問題的新方法，并通過系統(tǒng)級(jí)建模和軟硬件仿真等對(duì)提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

3、r>　　論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果包括：
　　1.基于片上網(wǎng)絡(luò)(NoC，Network on Chip)技術(shù)，對(duì)IP路由器SoC的片內(nèi)通信機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。提出了2D-Torus網(wǎng)絡(luò)中虛通道負(fù)載均衡的路由算法(VCLBR，Virtual Channel Load-Balanced Routing algorithm)。該算法從虛通道的層次上進(jìn)行負(fù)載均衡的研究，通過引入隨機(jī)因子，在保證物理鏈路負(fù)載均衡的情況下，將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡

4、地分配到各個(gè)虛通道上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)不同的流量模型，通過合理選擇隨機(jī)因子的取值，均可明顯改善2D-Torus網(wǎng)絡(luò)的通信性能。
　　2.在IP路由器SoC片內(nèi)通信機(jī)制的研究中，提出了一種規(guī)則的、對(duì)稱的片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即SD-Torus(Semi-Diagonal Torus)網(wǎng)絡(luò)。分析了其拓?fù)湫再|(zhì)，并提出了SD-Torus網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡的路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同DMesh、DTorus以及Xmesh網(wǎng)絡(luò)相比，在相同的實(shí)現(xiàn)代價(jià)

5、下，SD-Torus網(wǎng)絡(luò)具有更優(yōu)的通信性能，便于實(shí)現(xiàn)IP路由器SoC中的分布式地址查找和分組交換。
　　3.對(duì)當(dāng)前IP地址查找技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及并行IP地址查找結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，提出了基于Hash和樹位圖(Tree-bitmap)的兩級(jí)IP地址查找結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分利用了路由表中前綴長度的分布規(guī)律，將基于前綴長度的二分查找技術(shù)與樹位圖(Tree-bitmap)查找技術(shù)結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)了高效的IP地址查找。同時(shí)

6、，提出了基于SD-Torus網(wǎng)絡(luò)的并行IP地址查找結(jié)構(gòu)及其算法，該結(jié)構(gòu)按照“臨近存儲(chǔ)”原則進(jìn)行路由表的劃分和映射，滿足在任何節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)上的路由子表可以構(gòu)成一份完整的路由表，從而降低了分布式地址查找的通信延遲、減少了路由表的存儲(chǔ)代價(jià)，提高了IP地址查找結(jié)構(gòu)的性能和擴(kuò)展性。
　　4.基于大規(guī)模并行處理(MPP，Massively Parallel Processing)思想，提出了一種IP路由器SoC的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中采用大量

7、的、同構(gòu)的處理單元完成路由器中的轉(zhuǎn)發(fā)和交換功能，并使用SD-Torus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行片內(nèi)互連，實(shí)現(xiàn)了分布式轉(zhuǎn)發(fā)和分布式交換，是一種典型的大規(guī)模并行處理的系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)(MPPSoC)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的系統(tǒng)性能和擴(kuò)展性。
　　5.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用的IP路由器SoC的功能驗(yàn)證平臺(tái)。該功能驗(yàn)證平臺(tái)基于自動(dòng)檢查機(jī)制，以FPGA為硬件設(shè)施，并通過其軟件部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)配置，從而實(shí)現(xiàn)了不同IP路由器SoC系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。該平臺(tái)充分